УСТАНОВКА С ПОТОКОМ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, В ЧАСТНОСТИ ТУРБИНА С АКСИАЛЬНО ПРОХОДЯЩИМ ПОТОКОМ НАГРЕТОГО ГАЗА Российский патент 2015 года по МПК F01D5/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к установке с потоком текучей среды, в частности к турбине с аксиально проходящим потоком нагретого газа.

Уровень техники

В подобных установках имеются соответственно ряды лопаток ротора, со стороны ротора, и направляющих лопаток, со стороны корпуса. Лопатки в каждом ряду соответственно расположены смежно друг с другом в радиальном направлении вала ротора. В области направляющих лопаток вал ротора окружен теплозащитными элементами, а в области лопаток ротора - элементами оснований лопаток ротора. У подобных элементов имеются анкерные устройства, обычно плотно удерживаемые в продольных каналах вала ротора, которые в целом имеют елочный профиль в осевой проекции вала ротора и могут вставляться аксиально в продольные каналы вала ротора, имеющие дополнительный елочный профиль.

Для защиты вала ротора от перегрева внутри теплозащитных элементов и элементов основания в области первой виртуальной радиальной плоскости вала ротора находятся первые камеры с охлаждающим воздухом, сообщающиеся друг с другом и с источником охлаждающего воздуха. В области радиальной внешней второй виртуальной радиальной плоскости вала ротора, внутри плит основания лопаток ротора со стороны оснований, через регулярные промежутки, расположены дополнительные камеры с охлаждающим воздухом, которые могут сообщаться с потоком нагретого газа.

Современные турбины рассчитаны на максимальную эффективность для обеспечения оптимально экономичной эксплуатации.

Раскрытие изобретения

В этой связи неконтролируемое поступление охлаждающего воздуха в поток нагретого газа нежелательно, поскольку это приводит к регулярному снижению эффективности.

Цель изобретения заключается в оптимизации потока охлаждающего воздуха и предотвращения потерь эффективности при попадании охлаждающего воздуха в поток нагретого газа.

Согласно изобретению данная проблема решается при помощи установки с потоком текучей среды, аналогичной той, которая упоминается во вступительной части к п.1 Формулы изобретения, в том плане, что дополнительные камеры с охлаждающим воздухом могут продуваться в поток нагретого газа исключительно у торцов лопаток ротора, расположенных по ходу спереди в направлении потока нагретого газа. В отличие от турбин, использовавшихся ранее, где дополнительные камеры с охлаждающим воздухом могут продуваться спереди и сзади лопаток ротора в направлении потока нагретого газа, в настоящем изобретении продувание может осуществляться лишь по ходу спереди лопаток ротора, причем предпочтительно соответственно между смежными лопатками ротора. За счет этого может достигаться оптимальная эффективность установок с потоком текучей среды.

Согласно изобретению дополнительный приток охлаждающего воздуха, помимо вышеупомянутого притока охлаждающего воздуха, в поток нагретого газа предотвращается.

Для этого по предпочтительному варианту осуществления изобретения в зазоры, проходящие в радиальном направлении или в осевом направлении вала ротора между смежными теплозащитными элементами и/или элементами основания, устанавливаются уплотнения, перекрывающие первые камеры с охлаждающим воздухом.

Кроме этого, предпочтительно в зазорах между смежными плитами основания в ряду лопаток ротора, проходящем в осевом направлении вала ротора, используются дополнительные уплотнения, которые препятствуют выходу охлаждающего воздуха между аксиальными концами соответствующего зазора и концом этого зазора, расположенным по ходу сзади.

По возможности, первые уплотнения расположены в области подобных дополнительных уплотнений.

Предпочтительно все уплотнения выполнены в виде уплотнительных лент, продольные края которых установлены в канавках, расположенных оппозитно друг другу в боковых стенках соответствующего зазора. В первых уплотнениях уплотнительная лента зазора, проходящего в аксиальном направлении вала ротора между элементами основания и теплозащитными элементами, смежными в радиальном направлении, может быть соединена соответственно в Т-образный профиль с уплотнительной лентой зазора, проходящего в радиальном направлении вала ротора, расположенной между аксиально смежными элементами основания и теплозащитными элементами.

Кроме этого, предпочтительно, чтобы щелевые отверстия, проходящие в радиальном направлении, зазора между смежными плитами основания лопаток ротора были закрыты уплотнительными лентами, установленными в направлении, наклонном к радиальной плоскости вала ротора, в соответствующих канавках боковых стенок зазора, причем доступ к концу уплотнительной ленты, расположенной ближе к оси ротора, осуществляется со стороны торцевых поверхностей плит основания, находящихся по ходу сзади.

В данном случае торец вышеупомянутой уплотнительной ленты, расположенной ближе к оси ротора, может быть согнут и сопряжен его вогнутой стороной с соответствующим образом выгнутыми упорами на плитах основания, разграничивающих зазор. Таким образом, можно предотвратить смещение вышеупомянутой уплотнительной ленты в радиальном направлении наружу под действием центробежных сил во время использования установки с потоком текучей среды, а также ее разрушение при столкновении с уплотнительной лентой, расположенной между плитами основания, проходящими в осевом направлении вала ротора.

Кроме этого, предпочтительные признаки изобретения изложены со ссылкой на пункты формулы изобретения и следующие пояснения к чертежам, позволяющие дать более подробное описание особо предпочтительного варианта осуществления.

Требуется охрана не только для изложенных или показанных комбинаций признаков, но, в принципе, также и для любых необходимых комбинаций из отдельных изложенных или показанных признаков.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано частичное осевое сечение газовой турбины, через которую поток проходит аксиально.

На фиг.2 показан вид в перспективе элементов основания смежных лопаток ротора на валу ротора, изображенном частично.

На фиг.3 показан дополнительный вид в перспективе вышеупомянутых элементов основания.

На фиг.4 показан вид с увеличением одной из уплотнительных лент.

Осуществление изобретения

По фиг.1 в каждой ступени ротора имеются лопатки 2 ротора, установленные на валу 1 ротора, а также направляющие лопатки 3 со стороны корпуса, установленные неподвижно спереди и сзади лопаток 2 ротора в осевом направлении вала 1 ротора. На фиг.1 видна лишь одна из лопаток 2 ротора, расположенная аксиально между направляющей лопаткой, установленной по ходу спереди в направлении потока 4 нагретого газа, и другой направляющей лопаткой 3, установленной по ходу сзади в направлении потока 4 нагретого газа. Однако, понятно, что и направляющие лопатки 3, и лопатки 2 ротора установлены смежно друг с другом в определенном количестве в радиальном направлении вала ротора. Таким образом, и лопатки 2 ротора, и направляющие лопатки 3 образуют соответствующие ряды из лопаток/направляющих лопаток в радиальном направлении вала 1 ротора.

У лопаток 2 ротора имеется соответственно плита 5 основания, примыкающая радиально к внутреннему торцу лопатки 2 ротора, внешняя поверхность которой, со стороны лопатки, проходит в радиальном направлении и в аксиальном направлении вала 1 ротора. В радиальном направлении плита 5 основания заходит внутрь элемента 6 основания, имеющего анкерное устройство 6' крепления елочного типа при виде в осевой проекции вала 1 ротора, которое может быть вставлено аксиально в каналы соответствующей формы, расположенное между (сегментированными) продольными ребрами 7 на валу 1 ротора. Таким образом, анкерные устройства 6' и их соответствующие элементы 6 основания, а также сопряженная плита 5 основания плотно крепятся на валу 1 ротора в радиальном направлении с соответствующей лопаткой 2 ротора.

В области торцов направляющих лопаток 3, со стороны вала ротора, на валу 1 ротора установлены теплозащитные элементы 8, которые, в целом, аналогичны элементам 6 основания, они плотно закреплены на валу ротора анкерными устройствами 7', аналогичными анкерным устройствам 6'.

Так же, как и лопатки 2 ротора, элементы 6 основания на плитах 5 основания, а также теплозащитные элементы 8 соответственно установлены на валу 1 ротора радиальными рядами, смежными друг с другом.

Как видно из фиг. 1-3, камеры 9 с охлаждающим воздухом, сообщающиеся друг с другом и с источником охлаждающего воздуха, который не показан, выполнены в элементах основания и теплозащитных элементах 6 и 8 для защиты вала ротора от перегрева за счет подачи в камеры 9 с охлаждающим воздухом потока охлаждающего воздуха. Подобные камеры 9 с охлаждающим воздухом расположены в области радиально внутренней периферийной плоскости вала ротора. Внутри плит 5 основания, а следовательно, внутри радиально внешней периферийной плоскости вала 1 ротора находятся дополнительные камеры 10 с охлаждающим воздухом, сообщающиеся с камерами 9 с охлаждающим воздухом в элементах 6 основания. Как видно, в частности, из фигур 2 и 3, камеры 9 и 10 с охлаждающим воздухом проходят в осевой проекции вала 1 ротора, соответственно между смежными лопатками 2 ротора. В свою очередь, камеры 9 и 10 с охлаждающим воздухом пересекаются зазорами 11, которые проходят в продольном направлении вала 1 ротора, между плитами 5 основания и элементами 6 основания смежных лопаток 2 ротора. Кроме этого, камеры 9 с охлаждающим воздухом в элементах 6 основания соединены с камерами 9 с охлаждающим воздухом в смежных теплозащитных элементах 8 через отверстия 12 (см. фиг.2), которые расположены на торцевых поверхностях, обращенных друг к другу смежных теплозащитных элементов 8 и элементов 6 основания в осевом направлении вала 1 ротора. Каналы для охлаждающего воздуха, проходящие через подобные отверстия, соответственно пересекаются зазорами 13, расположенными между вышеупомянутыми торцевыми поверхностями аксиально смежных элементов основания и теплозащитных элементов 6 и 8.

Далее изобретением предусматривается, что охлаждающий воздух из камер с охлаждающим воздухом 9 или 10 соответственно может попадать в поток 4 нагретого газа только у торцов плит 5 основания, обращенных вверх к потоку 4 нагретого газа. Подобное прохождение охлаждающего воздуха происходит у торцов зазоров 11 между смежными лопатками 2 ротора в направлении, противоположном потоку 4 нагретого воздуха. Кроме этого, выпускное отверстие для охлаждающего воздуха у зазоров 11 и 13 закрыто уплотнительными лентами с 14 по 16, которые соответственно выполнены в виде плоских лент и установлены их продольными краями в канавках, расположенных оппозитно друг другу, в боковых или торцевых поверхностях теплозащитных элементов 8 и элементов 6 основания или соответственно плитах 5 основания, разграничивающих зазоры 11 и 13.

Как показано на фигурах 2 и 3, в зазорах 11 между камерами с охлаждающим воздухом 9 и 10 уплотнительные ленты 14 установлены в канавках 17 на стенках смежных элементов 6 основания, разграничивающих зазор 11. Подобные уплотнительные ленты 14 соответственно соединены с уплотнительными лентами 15 в Т-образный профиль, продольные края которого установлены в канавках 18 на торцевых поверхностях обращенных друг к другу аксиально смежных элементов 6 основания и теплозащитных элементов 8. Таким образом, после установки смежных элементов 6 основания с сопряженными лопатками 2 ротора на валу 1 ротора, Т-образная комбинация из уплотнительных лент 14 и 15 по фиг.3 может быть вставлена по направлению стрелки Р в узкую щель в необходимое положение, при котором соответствующая уплотнительная лента 14 будет находиться между смежными элементами 6 основания в канавках 17, а уплотнительная лента 15 будет находиться в канавках 18 на торцевых поверхностях смежных элементов 6 основания, ориентированных в направлении потока 4 нагретого газа. Как только теплозащитные элементы, смежные с уже установленными элементами 6 основания в направлении потока 4 нагретого воздуха, устанавливаются на вал ротора, свободный продольный край уплотнительной ленты 15 автоматически входит в зацепление с соответствующей канавкой 18 на теплозащитных элементах 8. Соответственно с помощью уплотнительных лент 14 и 15 предотвращается прохождение охлаждающего воздуха из камер 9 с охлаждающим воздухом через зазоры 11 и 13 в поток 4 нагретого газа. Дополнительные уплотнительные ленты 16 и 16' устанавливаются таким образом, чтобы охлаждающий воздух мог выходить из камер 10 с охлаждающим воздухом только через конец зазора 11, в направлении, противоположном потоку 4 нагретого газа, между смежными плитами 5 основания или соответствующими лопатками 2 ротора. Уплотнительная лента 16 соответственно вставляется в канавки 19, которые проходят параллельно канавкам 17 уплотнительных лент 14. Конец уплотнительных лент 16, расположенный по ходу сзади в направлении потока 4 нагретого газа, согнут или загнут, как это видно на фигурах 2 и 3, и сопряжен его вогнутой стороной с соответствующими выгнутыми упорами на плитах 5 основания таким образом, чтобы обеспечивалось необходимое конечное положение уплотнительных лент 16, а изогнутый конец был заблокирован между торцевыми поверхностями, обращенными друг к другу, элемента 6 основания и аксиально смежного теплозащитного элемента 8.

Кроме этого, на торцах зазоров 11 имеются дополнительные уплотнительные ленты 16', ориентированные в направлении потока 4 нагретого газа, которые установлены наклонно к радиальной плоскости вала 1 ротора, как это показано на фиг.3 в соответствующих наклонных канавках 19' на боковых поверхностях смежных плит 5 основания, разграничивающих соответствующий зазор 11. Радиальный внутренний конец дополнительных уплотнительных лент 16' загнут вниз, как это показано на фиг.4, и сопрягается его вогнутой стороной с краями, соответствующим образом дополнительно образованными на смежных боковых поверхностях смежных плит 5 основания. Таким образом, необходимое положение дополнительной уплотнительной ленты 16' также является конечным положением, в частности, таким образом, чтобы между верхним концом дополнительной уплотнительной ленты 16' и смежной уплотнительной лентой 16 оставался минимальный зазор, как это показано на фигурах 2 и 3, таким образом, чтобы между уплотнительными лентами 16 и 16' не возникало разрушающего контакта, а охлаждающий воздух практически не мог проходить между этими двумя уплотнительными лентами 16 и 16'. В необходимом положении уплотнительная лента 16' не контактирует с уплотнительной лентой 16 и не разрушает уплотнительную ленту 16. Упомянутая уплотнительная лента 16' в необходимом положении соответственно блокируется уплотнительной лентой 15. Соответственно, уплотнительная лента 16' по фиг.3 проталкивается в ее необходимое положение, прежде чем там будет установлена уплотнительная лента 15, соединенная с уплотнительной лентой 14 в Т-образный профиль.

Установка с потоком текучей среды, в особенности газовая турбина с аксиально проходящим потоком нагретого газа, выполнена с рядами лопаток ротора со стороны ротора и рядами направляющих лопаток со стороны корпуса, расположенными соответственно аксиально между последовательными рядами лопаток ротора, а также с валом ротора, окруженным теплозащитными элементами и элементами основания лопаток ротора. В области первой радиальной плоскости вала ротора, внутри теплозащитных элементов и элементов основания расположены первые камеры с охлаждающим воздухом, которые сообщаются друг с другом и с источником охлаждающего воздуха. В области радиальной внешней второй радиальной плоскости вала ротора, внутри плит основания, между лопатками ротора и их элементами основания расположены дополнительные камеры с охлаждающим воздухом, которые могут продуваться в нагретого газа. Дополнительные камеры с охлаждающим воздухом могут продуваться исключительно с их торцов, расположенных по ходу спереди относительно направления потока нагретого воздуха. Изобретение направлено на оптимизацию потока охлаждающего воздуха и на повышение эффективности путем устранения неконтролируемого поступления охлаждающего воздуха в поток нагретого газа. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Установка с потоком текучей среды, в особенности газовая турбина с аксиально проходящим потоком нагретого газа, с рядами лопаток (2) ротора со стороны ротора и рядами направляющих лопаток (3) со стороны корпуса, расположенными соответственно аксиально между последовательными рядами лопаток (2) ротора, а также с валом (1) ротора, окруженным теплозащитными элементами (8) и элементами (6) основания лопаток (2) ротора, причем в области первой радиальной плоскости вала (1) ротора, внутри теплозащитных элементов и элементов основания (8, 6), расположены первые камеры (9) с охлаждающим воздухом, которые сообщаются друг с другом и с источником охлаждающего воздуха, а в области радиальной внешней второй радиальной плоскости вала (1) ротора, внутри плит (5) основания, между лопатками (2) ротора и их элементами (6) основания, расположены дополнительные камеры (10) с охлаждающим воздухом, которые могут продуваться в поток (4) нагретого газа, отличающаяся тем, что дополнительные камеры (10) с охлаждающим воздухом могут продуваться исключительно с их торцов, расположенных по ходу спереди относительно направления потока (4) нагретого воздуха.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первые уплотнения (14, 15), которые закрывают первые камеры (9) с охлаждающим воздухом радиально с внешней стороны, расположены в зазорах (11, 13), сообщающихся с камерами (9, 10') с охлаждающим воздухом, между смежными теплозащитными элементами и/или элементами основания (8, 6) в радиальном направлении или осевом направлении вала (1) ротора.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что у зазоров (11), проходящих в осевом направлении вала (1) ротора, между смежными плитами (5) основания ряда лопаток (2) ротора, имеются отдельные или дополнительные уплотнения (16, 16'), которые препятствуют выходу охлаждающего воздуха между аксиальными концами соответствующего зазора (11) и зазора (11), расположенного по ходу сзади.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что все уплотнения (с 14 по 16') выполнены в виде уплотнительных лент, продольные края которых расположены в канавках (с 17 по 19'), проходящих оппозитно друг другу в боковых стенках, расположенных оппозитно друг другу, соответствующего зазора (11, 13).

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что уплотнительная лента (14) зазора (11), проходящего в аксиальном направлении вала (1) ротора, установленная между элементами основания или соответственно теплозащитными элементами (6, 8) смежными в радиальном направлении, и уплотнительная лента (15) зазора (13), проходящего в радиальном направлении вала (1) ротора, установленная у конца вышеупомянутого зазора (11), расположенного по ходу сзади, соединены друг с другом в Т-образный профиль.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что щелевые отверстия зазоров (11), проходящих в радиальном направлении вала (1) ротора, между смежными плитами (5) основания лопаток (2) ротора закрыты уплотнительными лентами (16'), которые установлены в соответствующих канавках (19') боковых стенок зазора (11) в направлении, наклонном к радиальной плоскости вала (1) ротора, причем доступ к концу уплотнительной ленты (16'), находящемуся ближе к оси (1) ротора, осуществляется со стороны торцов плит (5) основания, расположенных по ходу сзади.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что конец уплотнительной ленты (16'), расположенный ближе к оси (1) ротора, согнут и сопряжен его вогнутой стороной с соответствующим образом выгнутыми упорами на плитах (5) основания.